Pour cette éruption, des observations de SO2 et du rapport BrO/SO2 par des instruments
Tableau 4.3 – Date des observations par les instruments de mesures AIRS et GOME-2.
Instruments Date Heure (UTC)
AIRS 11/05/08 00h40
AIRS 11/05/08 23h45
GOME-2 11/05/08 08h40
GOME-2 12/05/08 06h30
GOME-2 13/05/08 06h00
en 3D sont comparés aux mesures des instruments AIRS et GOME-2.
GOME-2 (Global Ozone Monitoring Experiment–2) est un spectromètre optique qui analyse la colonne verticale de l’atmosphère au nadir avec une résolution d’environ 80km × 40km pour chaque pixel. AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) est un spectromètre dans le visible et l’infrarouge au nadir avec une résolution d’environ 15km. Ces deux instruments ont détecté
la présence de SO2 au cours des jours qui suivirent l’éruption (cf. tableau 4.3). Les données
de AIRS sont assemblées selon la période d’ensoleillement. Les observations du 11 mai par cet instrument sont regroupées sur la même trace. Elles sont prises les deux durant des moments de la nuit avec presque 24h de différence (la première à 00h40 UTC et la deuxième à 23h45 UTC).
Les cartes de SO2 fournies par les instruments de mesures et les résultats obtenus par le
modèle MOCAGE ne sont pas traités de manière identique, en particulier pour GOME-2 les colonnes sont obliques alors que le modèle calcule des colonnes verticales. Les comparaisons qui seront faites dans la suite resteront donc qualitatives. On s’attachera essentiellement à comparer
la localisation du panache de SO2 obtenue par le modèle aux observations.
Par contre des comparaisons quantitatives peuvent être faites avec le rapport BrO/SO2
calculé par Hörmann et al. (2013) le 11/05 à environ 08h40 UTC à partir d’observations de GOME-2. Ce rapport est obtenu avec une régression linéaire à partir des différents points
constituant le panache volcanique selon un seuil fixé sur SO2. Pour les comparaisons avec le
modèle MOCAGE, nous avons aussi réalisé une régression linéaire sur les mailles constituant le panache. Le seuil choisi n’est pas identique à celui des observations car les valeurs du modèle sont plus faibles.
Enfin, il a été possible de comparer le modèle aux valeurs de BrO/SO2 données pour l’Etna
dans la littérature et obtenues à partir d’observations locales (instruments DOAS) pendant le
mois de mai 2008. Le rapport BrO/SO2 est très utilisé dans les études de panache volcanique,
car il indique la réactivité chimique de BrO, SO2 réagissant plus lentement. Pour la comparaison
avec ces observations durant l’éruption, seules quelques mailles du modèle sont impactées par
MODÉLISATION EN UNE DIMENSION
5.1
Résumé de l’article
Nous avons vu dans la partie 2.6 que plusieurs paramètres peuvent fortement influencer l’équilibre chimique dans un panache volcanique. Pour décider des futurs paramètres à implé- menter dans la configuration 3D de MOCAGE, nous avons conduit dans un premier temps une étude en une dimension (1D). Le modèle consiste en la somme de boites en zéro dimension, sur la verticale, sans interaction entre elles. Cette configuration 1D nous permet de tester la sensibilité à de nombreux paramètres caractéristiques des émissions volcaniques avec des coûts de calcul faibles par rapport à des simulations en 3D. L’étude en une dimension que nous propo- sons est une approche différente de celle présentée dans les études de Bobrowski et al. (2007b), Roberts et al. (2009) et von Glasow (2010). Ces trois études cherchent à obtenir avec précision l’évolution chimique du panache volcanique à de faibles résolutions spatiales dans une région proche du volcan et sur des durées de quelques minutes à plusieurs heures. Le but de notre étude est de reproduire les tendances chimiques des espèces bromées sur une colonne verticale lors d’une éruption pour des tailles de mailles typiques d’un modèle de chimie-transport, afin qu’elles soient cohérentes avec des observations et des études de modélisation précédentes, et d’analyser l’influence et l’importance des différents paramètres.
Pour cette étude en 1D, seules les réactions chimiques sont à l’origine des pertes et des productions d’espèces chimiques, le transport et les dépôts ne sont pas pris en compte. Les quatre réactions hétérogènes du cycle de bromine-explosion sont ajoutées dans le schéma chi- mique de MOCAGE. Les sorties du modèle HSC, réalisées par Tjarda Roberts (LPC2E), sont utilisées pour obtenir la composition du panache volcanique après le mélange à haute tempé- rature. Le flux des espèces est calculé selon l’équation 4.1 à partir de cette composition. Les émissions de l’éruption du 10 mai 2008 du Mont Etna sont injectées dans le modèle d’après la méthode présente initialement dans MOCAGE : les gaz sont émis sur chaque niveau du modèle
proportionnellement au rapport entre le volume du niveau et le volume total d’émission. Les émissions vont de la surface jusqu’à 5 000m d’altitude. Cette altitude est la première estimation de la hauteur d’émission obtenue au moment du début de cette étude.
La configuration de MOCAGE de référence est basée sur une résolution horizontale de 0.5˚× 0.5˚. À partir de cette configuration, nous avons fait différents tests de sensibilité :
• Un premier test a consisté à étudier l’impact de la paramétrisation, décrite dans la partie
3.2.3. Un cas sans paramétrisation, appelé "Ref", et les deux cas extrêmes de la paramétrisation, appelés "Plume 1" et "Plume 2", sont étudiés. Pour rappel, dans la configuration "Plume 1" le mélange entre Plume Box et la maille du modèle se fait toutes les 15 minutes et dans la configuration "Plume 2", le mélange est fait seulement à la fin de l’éruption. Un premier constat sur ces trois simulations est la cohérence entre les résultats du modèle avec des observations de BrO de GOME-2, le lendemain de l’éruption. Un autre résultat est la production importante de BrO au cours de l’éruption sur la maille du modèle, visible pour "Ref" et "Plume 1" car pour "Plume2" les effets sur la maille du modèle ne sont observés qu’à la fin de l’éruption. Cette production de BrO est caractéristique d’une bromine-explosion. L’analyse des résultats est divisée sur trois périodes : au moment de l’éruption, la nuit et le lendemain de l’éruption. Les résultats obtenus avec la paramétrisation "Plume 1" montrent que la production de BrO est plus rapide que sans la paramétrisation ("Ref") au cours de l’éruption. Pour "Plume 2", le panache est entièrement isolé de l’air ambiant. Il n’y a pas d’apport d’espèces oxydantes pendant toute la durée de l’éruption. Cet isolement entraîne une modification des régimes chimiques des
espèces bromées et des espèces oxydantes, par exemple O3 est très fortement réduit dans le
panache. Ce comportement de "Plume 2" dans le panache s’éloigne de la réalité où seul le cœur du panache est isolé de l’air extérieur au début de l’éruption, mais les bords sont constamment alimentés en espèces oxydantes.
• Le rapport VM/VA en entrée du modèle HSC est un autre paramètre qui a été étudié
car sa valeur n’est pas connue. Selon le volume d’air atmosphérique mélangé à un volume d’air magmatique, la composition finale du panache à l’équilibre sera différente. Nous avons étudié l’influence de ce paramètre pour deux valeurs du rapport (95/5 et 90/10) qui produisent une composition finale raisonnable pour les aérosols sulfatés par rapport aux observations. La conclusion de ces résultats montre que les deux rapports utilisés présentent une faible différence sur la production de BrO dans le panache volcanique pour le cas sans paramétrisation et avec "Plume 1". Dans le cas de "Plume 2", les deux rapports donnent une réponse légèrement différente sur la partition des espèces bromées, due à la variation de la composition du panache
pour les espèces oxydantes NOx et Ox.
• Un autre paramètre dont nous n’avons qu’une estimation est le rayon des aérosols. Cette
variable agit sur l’efficacité des réactions hétérogènes car elle définit la valeur de la surface disponible où ont lieu les réactions hétérogènes. Pour toutes les simulations présentées dans cette étude, le rayon des aérosols a été fixé à 2 µm. Pour l’étude de sensibilité de ce paramètre nous avons utilisé trois autres rayons : 0.5, 1 et 4 µm. La réponse du modèle pour ces différentes valeurs du rayon des aérosols montre une nette dépendance des réactions hétérogènes à la surface des aérosols. En effet, la production de BrO est plus importante dans le cas de faibles rayons
(0.5 µm) car un faible rayon produit de nombreuses gouttelettes à rapport de mélange constant d’aérosols, et ainsi une grande surface. À la différence, des rayons plus grands forment moins de gouttelettes pour la même quantité et donc une surface totale plus petite pour les réactions hétérogènes. Cette étude a été faite pour deux résolutions horizontales, 0.5˚× 0.5˚et 2˚× 2˚, la conclusion est identique pour ces deux résolutions.
• Un dernier paramètre étudié est la résolution horizontale de la colonne verticale. Dans
l’objectif d’une étude à grande échelle temporelle et spatiale, il faut que le modèle puisse repré- senter la chimie des panaches volcaniques avec une résolution horizontale plus large afin d’avoir des coûts de calcul abordables : typiquement 2˚× 2˚pour MOCAGE. Avec cette résolution, la formation de BrO est plus faible et plus lente que pour la résolution 0.5˚× 0.5˚, mais la comparaison avec la résolution plus fine reste raisonnable en considérant la dilution des espèces dans des mailles plus larges. Le comportement chimique est similaire par rapport à 0.5˚× 0.5˚. À partir de cette étude, nous avons conclu que la configuration "Plume 2" de la paramé- trisation produit un comportement des espèces gazeuses dans un panache volcanique durant l’éruption qui s’éloigne du comportement observé dans d’autres études (Oppenheimer et al., 2006; Bobrowski et al., 2007b). De plus, la nuit suivant l’éruption la partition des espèces bro- mées dans "Plume 2" n’est pas réaliste. La paramétrisation Plume 2 n’est pas considérée dans la suite des travaux. La variation des résultats de BrO en fonction du rayon des aérosols montre l’importance d’avoir une bonne estimation de ce paramètre. Les deux valeurs prises pour le
rapport VM/VA n’ont pas un effet très différent sur le comportement des espèces gazeuses du
panache volcanique. Nous utilisons qu’un seul rapport pour les simulations en 3D. Article soumis dans Geoscientific Model Development Discussion, en révision :
Grellier, L., Marécal, V., Josse, B., Hamer, P. D., Roberts, T. J., Aiuppa, A., and Pirre, M. : Towards a representation of halogen chemistry within volcanic plumes in a chemistry transport model, Geosci. Model Dev. Discuss., 7, 2581-2650, doi :10.5194/gmdd-7-2581-2014, 2014.